摘要：本文介紹了一種利用低頻超聲波進(jìn)行物料篩分的控制器設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)可以通過(guò)ATMEGA16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)篩工作頻率的調(diào)整、功率調(diào)整、電路安全保護(hù)以及系統(tǒng)參數(shù)顯示等功能。該系統(tǒng)具有較高的頻率穩(wěn)定性和抗干擾能力，針對(duì)常規(guī)的振動(dòng)篩分機(jī)產(chǎn)生的噪聲污染大、篩分細(xì)度級(jí)別低等不足有較大改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：超聲波，頻率，控制器

物料分離技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、制造中不可缺少的項(xiàng)目和過(guò)程，通過(guò)機(jī)械振動(dòng)裝置進(jìn)行處理，隨著電子科技的發(fā)展，通過(guò)電子的方式產(chǎn)生機(jī)械共振頻率，通過(guò)設(shè)備上的換能器將變化的電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成強(qiáng)烈的機(jī)械設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，在傳統(tǒng)的振動(dòng)篩基礎(chǔ)上在篩網(wǎng)上引入一個(gè)低振幅、高頻率的超聲振動(dòng)波，以改善超微細(xì)分體的篩分性能。從而解決了強(qiáng)吸附性、易團(tuán)聚、高靜電、高精細(xì)、高密度、輕比重等篩分難題，提高了篩分效率。

1 控制方案

物料篩分裝置由篩網(wǎng)、網(wǎng)架、換能器、主頻率產(chǎn)生電路、功率輸出電路、超聲波調(diào)整控制電路、功率控制電路、輸出電流采樣電路以及顯示電路等幾部分組成。系統(tǒng)由3525芯片結(jié)合外圍電路產(chǎn)生超聲波的主頻，由單片機(jī)產(chǎn)生可以調(diào)節(jié)的附加波進(jìn)行微調(diào)，通過(guò)功率放大電路放大輸出電流，使換能器帶動(dòng)網(wǎng)架進(jìn)行振蕩起到分揀物料的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)電路方框圖

2 主頻輸出部分

2.1 SG3525特性

SG3525是電流控制型PWM控制器，是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，它簡(jiǎn)單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，有過(guò)流保護(hù)功能，頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。同時(shí)，SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準(zhǔn)電源，微調(diào)至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內(nèi)，無(wú)須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

2.2 主頻產(chǎn)生電路

由SG3525來(lái)產(chǎn)生頻率為35KHz左右的主頻信號(hào)，對(duì)整個(gè)振動(dòng)篩進(jìn)行控制，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行工作過(guò)程的控制，完成整個(gè)振動(dòng)篩的控制，使振動(dòng)篩的工作頻率始終保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，使振動(dòng)篩正常工作，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。芯片的主要作用就是產(chǎn)生一個(gè)一定范圍內(nèi)的符合工作需要的頻率信號(hào)用來(lái)往后面的電路輸送，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行工作過(guò)程的控制，電路如圖2所示。

SG3525的軟啟動(dòng)接入端（引腳8）上通常接一個(gè)軟啟動(dòng)電容。上電過(guò)程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動(dòng)電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過(guò)兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，使之無(wú)法導(dǎo)通。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開(kāi)始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高時(shí)，誤差放大器的輸出將減小，這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時(shí)間變長(zhǎng)，PWM瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。 

外接關(guān)斷信號(hào)對(duì)輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路都起作用。當(dāng)Shutdown上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開(kāi)始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動(dòng)過(guò)程。Shutdown引腳不能懸空，應(yīng)通過(guò)接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號(hào)耦合而影響SG3525的正常工作。

圖2  主頻產(chǎn)生電路

3 頻率調(diào)整控制

3.1 頻率調(diào)整控制原理

頻率調(diào)整控制是整機(jī)的核心執(zhí)行部分，系統(tǒng)采用ATMEGA16來(lái)實(shí)現(xiàn)，它具有數(shù)據(jù)處理速度快，精度高，功耗低的特點(diǎn)，并且芯片內(nèi)部有AD和兩對(duì)PWM輸出功能。頻率控制采用CTC模式，頻率計(jì)算公式如下式所示：

式中變量N表示預(yù)分頻因子 (1、8、64、256或1024)。是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12MHz，是輸出比較寄存器，是輸出的頻率，是16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。

取N =1，=12MHz，頻率由頻率計(jì)算公式可得

通過(guò)改變的值就可改變PWM的CTC模式的輸出頻率。即

由此可知，只需改變的值就可以改變其輸出頻率。功率控制的方法與上同理。

為了防止外部頻率對(duì)單片機(jī)工作的干擾，單片機(jī)的時(shí)鐘由12MHz有源晶振提供，有源晶振不需要內(nèi)部振蕩器，信號(hào)質(zhì)量好，性能穩(wěn)定。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

從主控制系統(tǒng)流程圖不難看出，系統(tǒng)中包含A/D轉(zhuǎn)換程序、鍵盤掃描程序、PWM調(diào)制程序以及顯示程序。工作時(shí)，首先對(duì)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后掃描當(dāng)前電流值，判斷是否安全，如果安全，開(kāi)始判斷是否有按鍵被按下，如果沒(méi)有按鍵被按下，說(shuō)明電路中的頻率工作在正常的頻率范圍內(nèi)，不需要進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)，則繼續(xù)返回檢測(cè)電流。如果有按鍵被按下，則說(shuō)明有頻率大小不符合實(shí)際應(yīng)用的需要，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)工作在正常的頻率下，此時(shí)進(jìn)行判斷鍵值并進(jìn)行鍵值掃描處理，然后執(zhí)行相應(yīng)的掃描程序，完成調(diào)節(jié)過(guò)程。該過(guò)程是一個(gè)循環(huán)掃描的過(guò)程，振動(dòng)篩工作過(guò)程中這個(gè)程序是一直執(zhí)行的，一直是一個(gè)循環(huán)掃描的狀態(tài)，保證系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖3所示。

4 結(jié)論與討論

振動(dòng)篩看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，但對(duì)加工工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求非常高，影響振動(dòng)篩篩分效率的因素還有很多，如隨著振動(dòng)設(shè)備工作時(shí)間的增長(zhǎng)，網(wǎng)架零件的松動(dòng)或電子元件的老化多會(huì)導(dǎo)致篩分效果的減弱。尋求新的振動(dòng)形式以提高篩分效率，解決振動(dòng)工作方式帶來(lái)的可靠性、疲勞壽命、振動(dòng)和噪聲污染問(wèn)題是振動(dòng)篩發(fā)展過(guò)程中需要不斷探索的課題。

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖

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